如何评价「龙江一号、龙江二号卫星的一生」？ 第1页

2019年11月14日，经过三个多月的漫长等待，NASA的月球勘测轨道飞行器（LRO）终于宣布在月球背面北纬16.6956°，东经159.5170°位置找到了嫦娥四号任务搭载的微卫星：龙江二号的撞月点 [1]。

为龙江二号探月任务画上了一个圆满的句号。

在过去的一年多时间里，这颗设计寿命1年、质量47公斤（其中15公斤是燃料）、主体只有2个家用微波炉大小（765×570×420毫米）的微卫星，独立完成了地月转移、近月制动和环月飞行，在轨运行了整整437天，成功展开了一系列射电天文观测和对月对地观测任务。

甚至，还不止这些。

人们不曾想到，这颗打包顺带、差点死在半路上的小不点，会在短短一年多的生命里为我们带来这么多奇景和惊喜。

出师不利，死里逃生

北京时间2018年5月21日5:28，嫦娥四号月球任务的通讯中继卫星鹊桥号在西昌卫星发射基地，由长征四号丙（CZ-4C）运载火箭发射升空。（详情参见：嫦娥4号中继星“鹊桥”发射成功：一桥飞架南北，天堑变通途）

由于这发火箭尚有余力，于是顺路捎带着一同发射了两颗由哈尔滨工业大学牵头研制的孪生微卫星，名叫龙江一号和龙江二号。

这两颗微卫星最初的设计功能是在环月轨道上进行射电天文观测，因此在被正式命名为“龙江一/二号”之前，它们最初的名字是“月球轨道超长波天文观测微卫星A/B”（Discovering the Sky at Longest Wavelengths Pathfinder），简称DSLWP-A和DSLWP-B。

按照原本的计划，龙江一号和二号将在发射后不久与火箭分离，各自独立进入地月转移轨道，之后独立完成途中的轨道修正和近月制动，进入距离月球约300×3000千米的环月椭圆轨道 [2]。待到顺利入轨之后，两颗卫星将一前一后编队飞行，以相距1～10千米（基线长度）的可变距离进行超长波天文干涉测量等试验 [3]。

然而，现实并没有按照这个轨迹进行。

北京时间5月21日05:54:50和05:55:20，龙江一号和二号先后与火箭分离，开始独立飞行。

5月22日凌晨03:54，龙江团队对龙江一号（A星）进行第一次中途修正。然而，在按计划使用5N推力器之后，虽然点火过程中卫星状态正常，但点火结束之后…龙江一号直接就失联了！地面站立刻采取措施，尝试了盲发指令、大口径天线等多种手段…但还是没找到。

龙江一号就这么丢了。

更可怕的是…由于信号丢失，地面站完全不知道龙江一号到底是哪里故障了啊！

那么问题来了。龙江二号和一号是孪生机，如果龙江一号哪里有问题，那么龙江二号肯定也会有一样的问题——如果还是按原计划对二号进行点火修正，二号九成九也要失联。但不点火也是不行的，如果不适时进行中途轨道修正，龙江二号又将会错失进入环月轨道的时机！

在这样一个刻不容缓又进退两难的尴尬时刻，哈工大团队和北京航天飞行控制中心当机立断，在短时间里完善了故障预案，推迟一天对龙江二号（B星）进行中途修正。

从龙江一号传回的残存的数据中判断，一号的角速度似乎上升了。仅仅通过这一点点线索，龙江团队决定双管齐下：

一方面换用推力较小的0.2N推力器，而且在点火结束后关闭自锁阀，让龙江二号不至于一下子速度变化太快；

另一方面换用较大口径的深空站天线进行跟踪，减少失联的可能性。

5月23日晚上20:00，龙江团队对龙江二号进行第一次中途修正。由于这次信号没有丢失，故障原因终于找到了。

龙江二号在轨控过程中也是状态正常的，但在轨控结束后推力器未能及时关机，导致卫星进入了快速旋转状态，陀螺出现饱和。然而由于卫星故障诊断程序判定陀螺仪出现故障，于是在三次重启无效后关闭了陀螺仪，致使卫星无法自主进行角速率阻尼（减速）。

也就是说，是由于推力器的控制逻辑错误，造成卫星开始极快速旋转且无法进行自主减速。事实上，即使是用了小推力并且及时关闭了推力闸，龙江二号的角速度也已经迅速超过了400度/秒。由此推断，龙江一号很可能在当时的快速旋转中直接解体了。即便没有直接解体，由于那时候的卫星已经无法维持姿态，太阳能板不能对日，也必然会在几小时内耗尽能源。

原因找到了，事情就解决了一半。龙江团队当即对龙江二号展开抢救：反复发送陀螺仪开机指令，在陀螺仪自动关机前将数据下传至地面，利用（已经饱和的）陀螺度数判断卫星自旋方向，手动控制推力器进行减速，三小时内发送指令五百余条，终于将卫星角速度降低至400度/秒以下，卫星随即自主进行角速率阻尼，恢复正常姿态。

总之，在第一次轨道修正之后，龙江二号被抢救下来了。

而推力器的控制逻辑错误也在随后得到了修复，龙江二号于5月24日21:30顺利完成了第二次中途修正。

5月25日22:08，幸存的龙江二号顺利完成了近月制动，成功进入距离月面357×13704公里，轨道周期20.5小时的环月轨道 [4]。

然而，不要忘了，龙江号原本的观测规划是双星编队联测啊！现在出发是两个，到地儿就剩一个了可怎么办？？？

射电天文观测：单枪匹马探宇宙

龙江任务一共携带了两种科学载荷，其中最主要的一种就是低频射电探测仪，两颗龙江卫星上均有搭载，由中科院空间中心研制和收发指令/信号。

低频射电频谱仪天线，也就是这6根支出的天线▼

熟悉嫦娥四号的朋友们应该对这个仪器不陌生了。由于电离层的阻挡，波长10米以上的电磁波几乎无法穿透大气来到地球表面，想要对这类以及波长更长的低频电磁波进行观测，就必须离开地球大气层——月球附近就是一个极佳的观测场所。

因此不仅是龙江一/二号，嫦娥四号着陆器和鹊桥中继卫星上也都搭载了低频射电频谱仪。三者的观测频段虽然略有差异（嫦娥四号着陆器0.1~40 MHz，鹊桥0.1~80 MHz，龙江一/二号1~30 MHz），但都能填补地基射电天文观测上的空白。

然而，龙江一号的失联，意味着两艘龙江号原本计划的双星射电干涉测量已注定无法完成，但单星低频射电探测依然有能做的。来都来了，当然要尽力而为。

同样是在月球附近，月球正面和背面轨道上观测到的低频射电信号依然有很大不同：在月球的遮挡之下，月球背面可以更好地屏蔽来自地球的射电干扰（Radio Frequency Interference，简称RFI）。

在环绕月球的过程中，龙江二号会反复飞过月球的正面和背面——也就可以完美验证和观测月球对低频射电信号的遮挡效果。

2018年5月26日，龙江二号上的低频射电探测仪首次开机，此后共接收了329分钟观测数据，证实月球对地球射电干扰的遮挡效果非常明显 [5]。

那同样是来自地球的射电干扰，在龙江二号1~30 MHz的低频射电观测频段里，哪些频段干扰强，哪些频段干扰没那么强呢？龙江二号测量了月球正面轨道上1~30MHz频段的连续谱，完成了地球射电干扰普查 [6]。

除了地球，太阳、太阳系巨行星和系外行星发出的射电辐射，其中一些也在龙江二号的观测频段内。

利用月球掩恒/行星时对这些辐射的遮挡，龙江二号多次对来自太阳、木星、银心和Cas-A等强射电源的低频射电辐射进行观测，相关探测数据还在进一步处理和解译中。

沙特相机：中国与中东合作的里程碑

龙江还不止这一点运气。

虽然龙江一号和二号是孪生机，但这次龙江号任务携带的另一种科学载荷——由沙特阿拉伯阿卜杜勒阿齐兹国王科技城研制的月球小型光学成像探测仪（微型光学相机），就幸运地搭载在大难不死的龙江二号上。

2018年5月28日，入轨三天后，沙特的微型光学相机首次开机。此后，在龙江二号在轨期间，沙特相机累计完成30次拍摄成像。

成功拍摄了包含波斯湾、红海、地中海、阿拉伯半岛等区域的地月合影。

成功获取了多幅清晰的月球雨海局部等区域的科学探测影像。

作为嫦娥四号任务国际合作载荷之一，龙江二号的成功在中东地区产生了强烈反响，成为我国与中东在航天领域合作的又一标志性成果，也由此拉开了中沙航天深度合作的序幕 [6]。

业余无线电通信：全世界无线电爱好者们的共同努力

龙江卫星共有三个通讯频段：S波段、X波段和VHF/UHF波段。

其中，S波段用于测控、X波段用于科学载荷的数据传输，两者均由中国深空网台站负责。这些国家队有着18-65米口径的强大天线，但可以分配给龙江任务的资源有限，所需的高耗能也给龙江这样的小卫星造成一定压力。

因此，龙江卫星还携带了由紫丁香学生微纳卫星团队研制的甚高频/超高频（简称VHF/UHF）通信模块，其中VHF频段用于上行（上传指令）、UHF频段用于下行（接收卫星状态和载荷数据）。

在龙江卫星发射之前，哈工大紫丁香学生微纳卫星团队、哈工大业余无线电俱乐部的二十余名学生通过新建、改造、借用等方式，在哈尔滨、北京、哈密、广州、荷兰德文格洛、日本和歌山等地设立了6个VHF/UHF地面站，并开发了开源的调制解调软件和网络传输软件，搭建了数据解析服务器 [4]。

还不止这些。在整个龙江卫星任务期间，众多业余无线电组织、爱好者团体和个人都为龙江号的通信贡献了自己的力量。

其中一些无线电爱好者们甚至仅仅通过自家门前、屋顶的“简陋”接收设备，就投身了龙江任务的协作之中。

从两颗龙江卫星与火箭分离，到龙江二号结束任务，来自巴西、智利、美国、波兰等近17个国家的共50个地面站成功实现了龙江卫星UHF频段的信号和数据接收。

除了接收数据，多个地面台站还通过龙江二号的UHF频段开展了诸多业余无线电试验。

2018年6月10日，荷兰德文格洛25米天线和北京12米天线协作完成了国际首次月球轨道UHF频段VLBI（Very Long Baseline Interferometr，甚长基线干涉测量）定轨试验。

北京时间2019年7月1日13:51至15:27，在下载日全食（后面会讲到）测试影像的间隙，哈尔滨工业大学集体业余电台BY2HIT与德国业余无线电爱好者Reinhard Kuehn （DK5LA）通过龙江二号卫星的转发通信功能，实现了中国与德国的双向通信(QSO)。此时，卫星到通联双方距离约为360000公里。这是国际首次月球轨道卫星的业余双向通信 [10]。